基本信息
- 项目名称：
- 等离子体增强化学气相沉积法制备大面积TiO2薄膜的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 采用等离子体增强化学气相沉积法，在低温低气压下产生等离子体放电并在玻璃介质表面制备高质量，结合力好的大面积TiO2薄膜。通过改变放电气压，前驱气体的配比等的条件下沉积不同条件下的TiO2薄膜，并用一系列手段对薄膜进行了表征。在此基础上还探究了在反应物中掺杂氮气或氟碳气体对薄膜性质影响，为将来薄膜的光催化作用做了必要而充分的准备。该方法最大的优点在于污染小，所需反应的气压低，反应物的使用量较少。
- 详细介绍：
- 本项目的目的是采用等离子体增强化学气相沉积法（DBD-PECVD），在低温低气压下产生等离子体放电并在玻璃介质表面制备高质量，结合力好的大面积TiO2薄膜。通过改变放电气压，放电频率，放电时间以及前驱气体的配比的条件下沉积不同条件下的TiO2薄膜。 整个系统包括：真空放电室，放电电源以及抽气系统。真空放电室由尼龙腔体外壳和上下电极构成；玻璃介质位于上下腔体之间。放电电源包括三个部分：信号发生器、信号放大器、高压变压器。 抽气系统由机械泵、电磁真空充气阀和高真空挡板阀组成。放电压力通过绝对电容压力计测量，并通过质量流量控制器和质量流量显示仪调节。 利用上述反应装置，先以Ticl4和02为反应前驱物，进行薄膜的制备，后在其中掺杂N2或CF气体。其中DBD反应器高压电极和地电极板间的距离为5 mm，玻璃介质厚3 mm。实验过程中利用高压探头探测，示波器调节，通常放电电压Vpp=25 kV（峰峰值），放电频率f=１kHz。使用手动插板阀控制反应气压在25-1000 Pa之间。 采用接触角分析仪对TiO2薄膜进行亲水性分析，其中分为未掺杂的TiO2薄膜亲水性分析和在反应物中掺杂氮气或氟碳气体后的薄膜亲水性，将两者对比分析，观察在何种情况下制得的薄膜亲水性最好。随着时间的推移，记录薄膜的亲水性变化，找出稳定性最好的条件。 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope ，简称SEM）测量薄膜厚度及断面形态，从而推断薄膜在何种频率，何种配比下能制备出与玻璃结合力较牢固的条件。 扫描探针显微镜（Atomic Force Microscopy,简称AFM）观察薄膜表面形貌，在不同频率，不同配比下探究薄膜较平整时所需的制备条件。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 采用等离子体增强化学气相沉积法（ DBD-PECVD ）在玻璃表面制备大面积，表面光滑且平整的超亲水性 TiO2 及掺杂性薄膜，以解决目前薄膜材料制备中的一些问题，例如薄膜面积的局限性，实验成本，气体对环境的污染等。创新点： 1. 装置简单，耗能低，对环境污染小，成膜速度快，且在低温下进行沉积 ;2. 制备的薄膜面积为 50cm×100cm 。技术关键及指标：薄膜的亲水性，表面形貌、粗糙度、微观形貌以及薄膜的厚度。
科学性、先进性
- 目前制备 TiO2 的方法有很多，市场上多数采用溶胶 - 凝胶法制备，虽然有许多突出的优点，但制备的薄膜大面积均匀性差，机械耐久性不够等缺点仍然存在。本实验在低温度下采用 DBD-PECVD 可以沉积出高质量、结合力好、厚度均匀的大面积 TiO2 薄膜，且提高了成膜效率。参考文献： Paz Y,Lou Z,Rabenberg L,Heller A.Photo oxidative self-cleaning transparent titanium dioxide films on glass.Journal of Materials Research,1995,10(11):2842- 2848.
获奖情况及鉴定结果
- 大连民族学院大学生研究性学习与创新性实验项目立项 大连民族学院“太阳鸟”科研立项。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 技术入股
作品可展示的形式
- 图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该实验项目降低了实验成本，且是一种较环保的制备手段，为日后大规模，大面积制备此类产品奠定了有力的基础，也为后续具有自清洁玻璃做了基础的准备工作。在未来，有良好的发展前景。如处理后的玻璃具有极好的自清洁、防雾性，可作为高层建筑物室外自清洁玻璃、在普通玻璃上具有重要应用和潜在的市场空间。处理过的玻璃可应用在汽车玻璃、室外玻璃等。
同类课题研究水平概述
- 目前制备 TiO2 的方法有很多，但主要采用化学气相沉积 (CVD) 法，溶胶 - 凝胶高温烧结 (Sol-Gel) 法和磁控溅射法等。 CVD 制备的薄膜纯高、表面致密、与基体结合牢固，同时具有组分可准确调控、能在形状复杂的基片上成膜、容易形成结晶定向性好的材料等优点．而 CVD 的缺点则是薄膜制备工艺复杂，控制较为困难。由于基体温度较高，对基材的耐热性能和膨胀系数有较为严格的要求，限制了基材的选取，造成设备要求高，导致生产成本高。溅射法很容易调整制备条件，因而易于控制薄膜的结构和性质。汤等采用射频磁控溅射在玻璃基片上制备了参数不同的钛膜，并选取钛膜在 HF 水溶液中恒压阳极氧化得到 Ti02 纳米阵列。相对于化学气相沉积，该方法的沉积温度较低，对沉积材料和基片材料均没有限制，制得的薄膜均匀，容易控制薄膜的结构与性质，易于工业化。然而，该方法需要在真空下进行，所需的设备价格昂贵。溶胶 - 凝胶法具有制备温度低，工艺简单，可制备多组分混合均匀的薄膜，并且薄膜颗粒度均匀，纯度高等优势。 Zhang 等以钛酸丁酯、乙酰丙酮、去离子水为原料，室温下制备出了 Ti02 溶胶，在其中加入纳米碳黑，超声振荡，浸渍提拉，经 500°C 煅烧后即得到具有良好稳定性和持久性的 Ti02 薄膜。 Sonawane 等以钛酸丁酯为原料经水解沉淀后用过氧化氢胶溶得到透明溶胶，掺入 Fe 离子，浸渍提拉，在 400℃ 处理得到了附着力和光催化活性良好的 Ti02 薄膜。但是，后期高温处理晶化的过程严重限制了其在一些高分子柔性制品或木制品等耐热性差的基材表面的应用。高温处理可能会导致基材元素向 Ti02 薄膜内部扩散，从而对薄膜的性能带来不利影响。然而目前市场上极大多数 TiO2 是采用溶胶 - 凝胶法制备，尽管这种薄膜有许多突出的优点，但是它的机械耐久性不够，大面积均匀性很差，况且这种工艺还要经过 500 ～ 600℃ 退火，基体材料受到一定限制。但本文将等离子技术引入 TiO2 薄膜的制备，可以在较低温度下制备出高质量、结合力好、厚度均匀的 TiO2 薄膜，提高了成膜效率。利用介质阻挡放电制备薄膜具有其独特的优势，可实现在多种基底上大面积沉积。这些突出的优点如果应用到实际生产中，不仅降低了生产成本，而且减小了对空气的污染，是一种节能，环保的薄膜制备方法。
